JP2005158910A - Color mixing device for multicolor light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに異なる発光色の複数個の発光ダイオード,レーザー素子等の発光素子から出射する光を相互に混色して出射するようにした多色発光素子混色装置に関するものである。 The present invention relates to a multicolor light emitting element color mixing apparatus in which light emitted from light emitting elements such as a plurality of light emitting diodes and laser elements having different emission colors is mixed and emitted.
従来、このような多色発光素子混色装置は、例えば図8に示すように構成されている。
図8において、多色発光素子混色装置1は、所謂多色LEDとして構成されており、基板2の凹陥部2aの底面にダイボンディングにより搭載された三つの発光ダイオード(以下、LEDという)チップ3,4,5と、基板2の凹陥部2a内に充填されたエポキシ樹脂等から成る樹脂モールド部6と、から構成されている。
Conventionally, such a multicolor light emitting device color mixing apparatus is configured as shown in FIG. 8, for example.
In FIG. 8, the multicolor light emitting element
そして、各LEDチップ3,4,5は、それぞれカソード電極3a,4a,5aに対してワイヤボンディング(図示せず)により電気的に接続されていると共に、上記基板2の上面のLED実装部がアノード電極2bに接続され、あるいは一体に形成されている。
The
さらに、各LEDチップ3,4,5は、それぞれ互いに異なる発光色、例えば赤色,緑色そして青色を発光するように、例えばAlGaInP系,GaInN系そしてGaInN系に構成されている。
Further, the
このような構成の多色発光素子混色装置1によれば、各LEDチップ3,4,5に対して電極3a,4a,5aを介して駆動電圧が印加されることにより、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光を出射する。
そして、各LEDチップ3,4,5からの光は、樹脂モールド6内で、そして樹脂モールド6から外部に出射した後にも、互いに混色されることにより、混色光として外部に照射されるようになっている。
According to the multi-color light emitting element
The light from each
しかしながら、このような構成の多色発光素子混色装置1においては、各LEDチップ3,4,5からの光の出射方向は、樹脂モールド部6によって一義的に決まってしまうと共に、各LEDチップ3,4,5の相互の間隔を所定値以下にすることは困難である。従って、各LEDチップ3,4,5からの光の混色性が損なわれてしまうことになる。
However, in the multi-color light emitting device
これに対して、上記混色性を改善するために、樹脂モールド部6内にシリカ等の拡散材を混入することがある。これにより、各LEDチップ3,4,5からの光を拡散材により拡散させて、相互の混色性を向上させるようにしている。
ところが、このような拡散材による光の散乱によって、ランバーシアン分布の指向性に近似することになり、出力が低下してしまうことになる。
On the other hand, in order to improve the color mixing property, a diffusing material such as silica may be mixed in the
However, the scattering of light by such a diffusing material approximates the directivity of the Lambertian distribution, and the output decreases.
また、各LEDチップ3,4,5からの光をそれぞれ光ファィバー内に導入して混色を実現する方法もある。
しかしながら、このような方法においては、各LED3,4,5と光ファィバーとの間にカップリングロスが発生し、また装置が大型化すると共に、光ファィバーの長さに制約があるような場合には利用することができない。
There is also a method for realizing color mixing by introducing light from each of the
However, in such a method, there is a coupling loss between the
さらに、各LEDチップ3,4,5からの光をレンズにより集光して、互いに混色させる方法も考えられるが、必要な焦点位置に対応して、レンズ径やレンズ位置を変更しなければならず、また装置が大型化してしまう。
Furthermore, a method of condensing the light from each
そして、このような混色性の問題は、LEDチップの場合に限らず、他の形態のLED素子や、さらにはレーザダイオード等の発光素子についても同様に存在するものである。 Such a color mixing problem is not limited to the case of LED chips, but also exists in other forms of LED elements, and also in light emitting elements such as laser diodes.
本発明は、以上の点から、簡単で小型の構成により、複数の発光素子からの光の混色性を向上させるようにした、多色発光素子混色装置を提供することを目的としている。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a multicolor light emitting element color mixing device that improves the color mixing characteristics of light from a plurality of light emitting elements with a simple and small configuration.
上記目的は、本発明によれば、複数の互いに発光色の異なる発光素子と、各発光素子からの出射光を一つの出射軸に導く光学部材と、を備えていることを特徴とする、多色発光素子混色装置により、達成される。 According to the present invention, the above object includes a plurality of light emitting elements having different emission colors, and an optical member that guides light emitted from each light emitting element to one output axis. This is achieved by a color light emitting device color mixing device.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、三角プリズムであって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くようになっている。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the optical member is a triangular prism, and the light from each light emitting device spaced from each other is changed based on the difference in refraction angle depending on the wavelength of the emitted light. , It is led to one output axis.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導くようになっている。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the optical member is a composite prism provided with a reflecting surface that totally reflects light from each light emitting device, and the light from each light emitting device is The light is reflected by the corresponding reflecting surface and guided to one output axis.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムである。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the composite prism has a plurality of parallel arrangements arranged side by side with respect to the output axis so as to have an inner surface that totally reflects light from each light emitting device. It is a quadrilateral prism.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導くようになっている。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the optical member is a dichroic prism, and transmits or reflects light from each light emitting device to guide it to one emission axis. .
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、回折格子であって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くようになっている。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the optical member is a diffraction grating, and the light from each of the light emitting devices spaced from each other is changed based on the difference in diffraction angle depending on the wavelength of the emitted light. , It is led to one output axis.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子が、透過型回折格子である。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the diffraction grating is a transmission diffraction grating.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子が、反射型回折格子である。 In the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention, preferably, the diffraction grating is a reflective diffraction grating.
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えている。 The multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention preferably includes an aperture member having an opening in the vicinity of the output axis of the diffraction grating.
上記構成によれば、各発光素子からの光を、光学部材によって光学的に一つの出射軸に導くようにしたから、各発光素子が互いに離れていても、各発光素子からの出射光の光軸が光学部材によって互いに整合され得ることになる。従って、簡単な構成によって、各発光素子からの光を散乱させたり、光ファィバーに導入するようなことなく、容易に良好な混色性を得ることができる。 According to the above configuration, since the light from each light emitting element is optically guided to one emission axis by the optical member, the light of the emitted light from each light emitting element even if the respective light emitting elements are separated from each other. The axes can be aligned with each other by the optical members. Therefore, with a simple configuration, it is possible to easily obtain a good color mixing property without scattering light from each light emitting element or introducing it into the optical fiber.
上記光学部材が、三角プリズムであって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が三角プリズムに入射し出射するときの屈折角の差異に基づいて、三角プリズムから出射するときに一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。 When the optical member is a triangular prism and the light from each light emitting element spaced from each other is guided to one output axis based on the difference in refraction angle depending on the wavelength of the output light, each light emitting element Based on the difference in refraction angle when light from the triangular prism enters and exits the triangular prism, it exits in alignment with one outgoing axis when exiting from the triangular prism. Thereby, a good color mixing property can be easily obtained.
上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が複合プリズムのそれぞれ対応する反射面で全反射されることにより、一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。 The optical member is a composite prism provided with a reflecting surface that totally reflects light from each light emitting element, and the light from each light emitting element is reflected by the corresponding reflecting surface to be provided on one output axis. In the case of guiding, the light from each light emitting element is totally reflected by the corresponding reflecting surface of the composite prism, and is emitted in alignment with one emission axis. Thereby, a good color mixing property can be easily obtained.
上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムである場合には、各発光素子からの光がそれぞれ対応する平行四辺形プリズムの内面で全反射されて、順次に各平行四辺形プリズムを透過して、最後の平行四辺形プリズムの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。 When the composite prism is a plurality of parallelogram prisms arranged side by side with respect to the emission axis so as to have an inner surface that totally reflects light from each light emitting element, The light is totally reflected by the inner surfaces of the corresponding parallelogram prisms, sequentially passes through the parallelogram prisms, and exits in alignment with the exit axis of the last parallelogram prism. Thereby, a good color mixing property can be easily obtained.
上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が、ダイクロイックプリズムを透過し、またはダイクロイックプリズムの反射面で反射されることにより、ダイクロイックプリズムの一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。 When the optical member is a dichroic prism, and the light from each light emitting element is guided to one output axis by transmitting or reflecting the light from each light emitting element, the light from each light emitting element is transmitted through the dichroic prism, or By being reflected by the reflecting surface of the dichroic prism, it is emitted in alignment with one emission axis of the dichroic prism. Thereby, a good color mixing property can be easily obtained.
上記光学部材が、回折格子、好ましくは透過型または反射型回折格子であって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が三角プリズムに入射し出射するときの回折角の差異に基づいて、三角プリズムから出射するときに一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。 The optical member is a diffraction grating, preferably a transmissive or reflective diffraction grating, and outputs light from each light emitting element spaced from each other based on a difference in diffraction angle depending on the wavelength of the emitted light. In the case of guiding to the axis, the light from each light emitting element is output in alignment with one output axis when exiting from the triangular prism based on the difference in diffraction angle when entering and exiting the triangular prism. Become. Thereby, a good color mixing property can be easily obtained.
上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えている場合には、各発光素子からの光が回折格子により回折されたとき、所望の出射軸方向からそれた光をアパーチャ部材により遮断することによって、散乱光を排除することができる。 When an aperture member having an opening is provided near the output axis of the diffraction grating, when the light from each light emitting element is diffracted by the diffraction grating, the light deflected from the desired output axis direction is blocked by the aperture member. By doing so, scattered light can be eliminated.
このようにして、本発明によれば、互いに発光色の異なる発光素子からの光を、光学部材によって一つの出射軸に導くことにより、各発光素子からの光の出射軸が光学的に互いに整合することになる。従って、各発光素子からの光を拡散させたり、光ファィバーに導入することなく、簡単で小型の構成によって、容易に高い混色性が得られることになる。 Thus, according to the present invention, the light from the light emitting elements having different emission colors is guided to one emission axis by the optical member, so that the light emission axes from the respective light emitting elements are optically aligned with each other. Will do. Therefore, a high color mixing property can be easily obtained with a simple and small configuration without diffusing light from each light emitting element or introducing it into the optical fiber.
以下、この発明の好適な実施形態を図1乃至図7を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7.
The embodiments described below are preferable specific examples of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. As long as there is no description of the effect, it is not restricted to these aspects.
図1は、本発明による多色発光素子混色装置の第一の実施形態の構成を示している。
図1において、多色発光素子混色装置10は、基板11上にて横方向に並んで配置された三つのLEDチップ12,13,14と、これらのLEDチップ12乃至14に対して横方向に隣接して配置された三角プリズム15と、から構成されている。
FIG. 1 shows a configuration of a first embodiment of a multicolor light emitting device color mixing apparatus according to the present invention.
In FIG. 1, the multicolor light emitting device
各LEDチップ12,13,14は、公知の構成であって、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各LEDチップ12乃至14は、後述するように、左方から波長の長い順に配置されている。
上記三角プリズム15は、断面が頂角θの二等辺三角形状に形成されており、一つの側面が上記基板11の表面に当接し、長手軸が紙面に対して垂直に延びるように、配置されている。
尚、上記三角プリズム15は、使用する光源即ち各LEDチップ12乃至14からの光に対して透明であればよく、透明ガラスや透明樹脂から形成されている。
Each of the
The
The
そして、各LEDチップ12,13,14から出射した光が、それぞれ三角プリズム15の左側の側面(入射面)15aに入射して、三角プリズム15の右側の側面(出射面)15bから出射する。その際、各光は、その波長に基づいて、入射面15a及び出射面15bで屈折することにより、三角プリズム15の出射面15bにて、一つの水平な出射軸に整合して、三角プリズム15から出射するようになっている。
The light emitted from the LED chips 12, 13, and 14 is incident on the left side surface (incident surface) 15 a of the
ここで、上記出射光の三角プリズム15の出射面15bにおける出射位置の高さをhとすると、出射光は、三角プリズム15の出射面15bをθ/2の出射角で出射することになる。
このとき、プリズム高さをL,入射光に対する屈折率をnc とすると、各LEDチップ12,13,14からの光の三角プリズム15の入射面15aにおける入射位置、即ち水平方向入射位置xc ,垂直方向入射位置yc そして入射角ic ,プリズム入射角φは、次の四つの式(1)乃至(4)により表わされる。
(数式1)
(数式2)
(数式3)
(数式4)
ここで、cは、各LEDチップ12,13,14の発光色(R,G,B)である。
Here, if the height of the exit position of the exit light on the exit surface 15b of the
At this time, if the prism height is L and the refractive index for incident light is nc, the incident position of the light from each
(Formula 1)
(Formula 2)
(Formula 3)
(Formula 4)
Here, c is the emission color (R, G, B) of each
従って、各LEDチップ12,13,14からの光を、それぞれ三角プリズム15の入射面15aにて、それぞれ位置(xR ,yR ),(xG ,yG )及び(xB ,yB )にて、入射角iR ,iG 及びiB で入射させることにより、各発光色の光は、それぞれ三角プリズム15の出射面15bにて高さhの位置から出射角θ/2で出射することになる。
尚、各LEDチップ12,13,14の水平方向位置は、それぞれ上記入射位置(xc ,yc )と入射角ic により一義的に決まることになる。その際、波長が長いほど屈折角が大きくなることから、各LEDチップ12,13,14は、波長の長い方から順次に三角プリズム15に接近するように配置されることになる。
Accordingly, the light from each
The horizontal positions of the LED chips 12, 13, and 14 are uniquely determined by the incident position (x c , y c ) and the incident angle ic , respectively. At this time, since the refraction angle increases as the wavelength increases, the LED chips 12, 13, and 14 are arranged so as to approach the
本発明実施形態による多色発光素子混色装置10は、以上のように構成されており、各LEDチップ12,13,14に対して駆動電圧が印加されることにより、各LEDチップ12,13,14が発光して、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、それぞれ式(1)及び(2)で表わされる入射位置で、三角プリズム15の入射面15aに式(3)による入射角ic で入射して屈折され、三角プリズム15内を透過して出射面15bに達する。
The multi-color light emitting element
Thus, each light is refracted by being incident on the incident surface 15a of the
そして、各光は、それぞれほぼ入射角φで三角プリズム15の出射面15bの高さhの位置に対して内側から入射して屈折され、それぞれ出射面15bから水平に延びる光軸に沿って出射することになる。
従って、各LEDチップ12,13,14から出射した各色の光は、光学部材としての三角プリズム15により、波長に基づいて屈折されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
Each light is incident and refracted from the inside at a height h of the exit surface 15b of the
Therefore, the light of each color emitted from the LED chips 12, 13, and 14 is refracted based on the wavelength by the
ここで、例えば各LEDチップ12,13,14からの光の混色によって、図2に示す色度図において、各LEDチップ12,13,14の発光光量を適宜に制御することによって、各LEDチップ12,13,14からの光の色度を頂点とする三角形の内部の任意の色度の混色光を作成することが可能である。
即ち、赤色,緑色及び青色の各色の分光分布をそれぞれR(λ),G(λ)及びB(λ)として、混色光の総和をこれらに比例するものとすると、混色光の色度は、色度座標をx=X/S,y=Y/Sとして、以下の式(5),(6)及び(7)により与えられる。
(数式5)
(数式6)
(数式7)
ここで、P(λ)=R(λ)+G(λ)+B(λ)であり、x(λ),y(λ)及びz(λ)は等色関数,kは比例定数,S=X+Y+Zである。
従って、RGBで表わされる各色度を頂点とする内部の色度を混色光によって実現することが可能である。
Here, for example, by mixing the light from the LED chips 12, 13, and 14, in the chromaticity diagram shown in FIG. 2, by appropriately controlling the amount of light emitted from the LED chips 12, 13, and 14, each LED chip. It is possible to create mixed color light having an arbitrary chromaticity inside a triangle whose apex is the chromaticity of light from 12, 13, and 14.
That is, assuming that the spectral distribution of each color of red, green, and blue is R (λ), G (λ), and B (λ), respectively, and the sum of the mixed color light is proportional to these, the chromaticity of the mixed color light is The chromaticity coordinates are given by the following equations (5), (6), and (7) where x = X / S and y = Y / S.
(Formula 5)
(Formula 6)
(Formula 7)
Here, P (λ) = R (λ) + G (λ) + B (λ), x (λ), y (λ) and z (λ) are color matching functions, k is a proportional constant, S = X + Y + Z It is.
Therefore, it is possible to realize the internal chromaticity with the chromaticities represented by RGB as vertices by the mixed color light.
このようにして、本発明実施形態による多色発光素子混色装置10によれば、光学部材として三角プリズム15を使用することによって、簡単で小型に構成され得ると共に、容易に混色性を向上させることが可能である。
As described above, according to the multicolor light emitting element
図3は、本発明による多色発光素子混色装置の第二の実施形態の構成を示している。
図3において、多色発光素子混色装置20は、基板21上にて横方向に並んで配置された三つのLEDチップ22,23,24と、これらのLEDチップ22乃至24の上方に配置された複合プリズム25と、から構成されている。
FIG. 3 shows a configuration of a second embodiment of the multicolor light emitting device color mixing apparatus according to the present invention.
In FIG. 3, the multi-color light emitting element
各LEDチップ22,23,24は、公知の構成であって、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光を出射するように構成されている。尚、この実施形態では、各LEDチップ22乃至24は、順不同であって、任意の順に配置されていればよい。
Each
上記複合プリズム25は、各LEDチップ22乃至24に対応して、それぞれ上方に配置された三個の平行四辺形プリズム25a,25b,25cから構成されている。
各平行四辺形プリズム25a,25b,25cは、それぞれ同じ形状であって、断面が底角θの平行四辺形に形成されており、この底角θは、下方のLEDチップ22乃至24から垂直に上方に向かって進む光が、各平行四辺形プリズム25a,25b,25cの斜めの内面で全反射されるように、即ち以下の式(8)による全反射条件を満たすように、選定されている。
(数式8)
ここで、φは平行四辺形プリズム25a,25b,25cの内面に対する入射角である。
The
Each of the parallelogram prisms 25a, 25b, and 25c has the same shape, and the cross section is formed into a parallelogram having a base angle θ. The base angle θ is perpendicular to the
(Formula 8)
Here, φ is an incident angle with respect to the inner surfaces of the parallelogram prisms 25a, 25b, and 25c.
そして、混色性をより高めるためには、底角θ及び入射角φは、好ましくは45度に選定される。
尚、上記平行四辺形プリズム25は、使用する光源即ち各LEDチップ22乃至24からの光に対して透明であればよく、透明ガラスや透明樹脂から形成されている。
In order to further improve the color mixing property, the base angle θ and the incident angle φ are preferably selected to be 45 degrees.
The
また、図3による実施形態においては、最後の平行四辺形プリズム25cからの出射軸を水平に変換するために、底角45度の三角プリズム26が配置されている。
ここで、各平行四辺形プリズム25a乃至25c及び三角プリズム26の互いに対向する斜面は、同じ傾斜角を有しており、互いに平行に位置している。
Further, in the embodiment according to FIG. 3, a
Here, the inclined surfaces of the parallelogram prisms 25a to 25c and the
そして、各LEDチップ22,23,24の水平方向位置は、各平行四辺形プリズム25a,25b,25cの間における傾斜した光軸によるずれがあっても、順次に各LEDチップ22,23,24から対応する平行四辺形プリズム25a,25b,25cの内面で反射された光の光軸が一致するように、選定されている。
尚、図面では、各LEDチップ22乃至24からの光が、対応する平行四辺形プリズム25a乃至25cで反射された後、互いに光軸が僅かにずれるように表わされているが、これは各光を識別しやすくしたもので、実際には互いに光軸が重なり合うように、配置されている。
The horizontal positions of the LED chips 22, 23, and 24 are sequentially changed even if there is a shift due to the inclined optical axis between the parallelogram prisms 25a, 25b, and 25c. Are selected so that the optical axes of the light reflected by the inner surfaces of the corresponding parallelogram prisms 25a, 25b, and 25c coincide.
In the drawing, the light from the LED chips 22 to 24 is reflected by the corresponding parallelogram prisms 25a to 25c and then the optical axes are slightly shifted from each other. The light is easily identified, and is actually arranged so that the optical axes overlap each other.
このような構成の多色発光素子混色装置20によれば、各LEDチップ22,23,24に対して駆動電圧が印加されることにより、各LEDチップ22,23,24が発光して、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、それぞれ上方に向かって垂直に進み、対応す平行四辺形プリズム25a,25b,25cの下面から垂直に入射して、傾斜した内面に達する。そして、各光は、この内面にて全反射され、図3にて右に向かって水平に進むことになる。
According to the multi-color light emitting element
As a result, each light travels vertically upward, enters perpendicularly from the lower surfaces of the corresponding parallelogram prisms 25a, 25b, and 25c, and reaches the inclined inner surface. Each light is totally reflected at the inner surface and travels horizontally toward the right in FIG.
その際、LEDチップ22から平行四辺形プリズム25aの内面で反射された光L1は、平行四辺形プリズム25aの右側の斜面で屈折されて出射した後、次の平行四辺形プリズム25bに入射し、屈折する。このとき、平行四辺形プリズム25aの出射面と平行四辺形プリズム25bの入射面が互いに平行であることから、平行四辺形プリズム25bの入射面での屈折により、この光L1は、平行四辺形プリズム25b内で右に向かって水平に進むことになる。
At this time, the light L1 reflected from the inner surface of the parallelogram prism 25a from the
ここで、LEDチップ23から平行四辺形プリズム25bの内面で反射された光L2は、上記光L1と光軸が重なった状態で、平行四辺形プリズム25bの右側の斜面で屈折されて出射することになる。
同様にして、上記光L1及びL2は、平行四辺形プリズム25bの出射面で屈折され、さらに最後の平行四辺形プリズム25cの入射面で屈折されることにより、平行四辺形プリズム25c内を右に向かって水平に進むことになる。
Here, the light L2 reflected from the inner surface of the parallelogram prism 25b from the
Similarly, the lights L1 and L2 are refracted by the exit surface of the parallelogram prism 25b and further refracted by the entrance surface of the last parallelogram prism 25c, so that the inside of the parallelogram prism 25c is turned to the right. It will go horizontally.
そして、LEDチップ24から平行四辺形プリズム25cの内面で反射された光L3は、上記光L1及びL2と光軸が重なった状態で、平行四辺形プリズム25cの右側の斜面で屈折されて出射することになる。
従って、最後の平行四辺形プリズム25cの出射面で屈折されて出射した光L1,L2及びL3は、さらに三角プリズム26の傾斜面26aに入射して屈折されて水平に進み、三角プリズム26の内部を透過して、その垂直な出射面26bから出射して、右に向かって水平に進むことになる。
The light L3 reflected from the inner surface of the parallelogram prism 25c from the
Therefore, the lights L1, L2, and L3 refracted and emitted from the exit surface of the last parallelogram prism 25c are further incident on the inclined surface 26a of the
このようにして、各LEDチップ22,23,24から出射した各色の光は、光学部材としての複合プリズム25により、それぞれ全反射されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
In this way, the light of each color emitted from each
図4は、本発明による多色発光素子混色装置の第三の実施形態の構成を示している。
図4において、多色発光素子混色装置30は、三つのLEDチップ31,32,33と、これらのLEDチップ31乃至33の光を透過または反射させるように配置されたダイクロイックプリズム34と、から構成されている。
FIG. 4 shows a configuration of a third embodiment of the multicolor light emitting device color mixing device according to the present invention.
In FIG. 4, the multicolor light emitting element
各LEDチップ31,32,33は、公知の構成であって、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光を出射するように構成されている。
Each
上記ダイクロイックプリズム34は、図面にて右側に延びる出射軸に対して、同軸に左側に延びる第一の入射軸と、上下に直角に延びる第二及び第三の入射軸とを備えるように、出射軸に対して下向きに斜め45度に延びる第一の波長選択性薄膜34aと、同様に出射軸に対して上向きに斜め45度に延びる第二の波長選択性薄膜34bとを備えている。
The
ここで、第一の波長選択性薄膜34aは、赤色光のみを反射させ、緑色光及び青色光を透過させる光学特性を備えている。
また、第二の波長選択性薄膜34bは、青色光のみを反射させ、緑色光及び赤色光を透過させる光学特性を備えている。
これらの波長選択性薄膜34a,34bは、例えば酸化チタン,酸化ケイ素,酸化セリウム,酸化アルミニウム,フッ化マグネシウム等の多層薄膜から構成されており、所望の光学特性を備えるように各薄膜の膜厚が選定されている。
Here, the first wavelength selective thin film 34a has an optical characteristic of reflecting only red light and transmitting green light and blue light.
The second wavelength selective thin film 34b has an optical characteristic of reflecting only blue light and transmitting green light and red light.
These wavelength-selective thin films 34a and 34b are composed of multilayer thin films such as titanium oxide, silicon oxide, cerium oxide, aluminum oxide, and magnesium fluoride, and the film thickness of each thin film has desired optical characteristics. Is selected.
これに対して、各LEDチップ31,32,33は、それぞれダイクロイックプリズム34の下方,左方及び上方にて第二の光軸,第一の光軸そして第三の光軸上に配置されている。
On the other hand, the LED chips 31, 32, and 33 are disposed on the second optical axis, the first optical axis, and the third optical axis below, to the left, and above the
このような構成の多色発光素子混色装置30によれば、各LEDチップ31,32,33に対して駆動電圧が印加されることにより、各LEDチップ31,32,33が発光して、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光が出射する。
これにより、LEDチップ31からの赤色光は、ダイクロイックプリズム34の下方から入射して、第一の波長選択性薄膜34aにより反射されて、右方の出射軸に導かれることになる。その際、赤色光は、第二の波長選択性薄膜34bを透過するので、第一の波長選択性薄膜34aによる反射のみが有効である。
According to the multi-color light emitting element
Thereby, the red light from the
また、LEDチップ32からの緑色光は、ダイクロイックプリズム34の左方から入射して、第一の波長選択性薄膜34a及び第二の波長選択性薄膜34bを透過して、右方の出射軸に導かれることになる。
さらに、LEDチップ33からの青色光は、ダイクロイックプリズム34の上方から入射して、第二の波長選択性薄膜34bにより反射されて、右方の出射軸に導かれることになる。その際、青色光は、第一の波長選択性薄膜34aを透過するので、第二の波長選択性薄膜34bによる反射のみが有効である。
The green light from the
Furthermore, the blue light from the
このようにして、各LEDチップ31乃至33からの光は、それぞれダイクロイックプリズム34の右方の出射軸に導かれることになり、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
In this way, light from each of the LED chips 31 to 33 is guided to the right exit axis of the
図5は、本発明による多色発光素子混色装置の第四の実施形態の構成を示している。
図5において、多色発光素子混色装置40は、三つのLEDチップ41,42,43と、これらのLEDチップ41乃至43に対して隣接して配置された回折格子44と、アパーチャ部材45と、から構成されている。
FIG. 5 shows the configuration of the fourth embodiment of the multicolor light emitting device color mixing apparatus according to the present invention.
In FIG. 5, the multicolor light emitting device
各LEDチップ41,42,43は、公知の構成であって、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各LEDチップ41乃至43は、後述するように、上方から波長の長い順に配置されている。
上記回折格子44は、格子間隔D1の反射型回折格子であって、例えばアルミニウム等の金属グレーティングまたは蒸着膜により構成されている。
ここで、回折格子44に対して、波長λの光が入射角γ1で入射したとき、mを整数とすると、式(9)で与えられる出射角γ2の方向に一次回折反射光が出射されることになる。
(数式9)
従って、各LEDチップ41乃至43からの光の波長と、回折格子44に対する入射角γ1に基づいて、格子間隔D1を適宜に設定することによって、各波長の光に対する出射角γ2を同じになるようにすることができる。
尚、二次以下の回折光は、アパーチャ部材45により遮断されることにより、出射角γ2方向に出射しないようになっている。
Each
The diffraction grating 44 is a reflection type diffraction grating having a grating interval D1, and is made of, for example, a metal grating such as aluminum or a vapor deposition film.
Here, when light having a wavelength λ is incident on the diffraction grating 44 at an incident angle γ1, if m is an integer, the first-order diffracted reflected light is emitted in the direction of the emission angle γ2 given by Equation (9). It will be.
(Formula 9)
Therefore, by appropriately setting the grating interval D1 based on the wavelength of the light from each LED chip 41 to 43 and the incident angle γ1 with respect to the diffraction grating 44, the emission angle γ2 with respect to the light of each wavelength is made the same. Can be.
The second-order or lower-order diffracted light is blocked by the aperture member 45 so that it is not emitted in the direction of the emission angle γ2.
そして、各LEDチップ41乃至43は、それぞれ出射光が回折格子44の同じ位置に対して互いに異なる入射角γ1で入射して、それぞれ回折反射光が同じ出射角γ2で出射するように、その入射角γ1が選定されている。 その際、各LEDチップ41乃至43の位置は、それぞれ式(9)で与えられる上記入射角γ1により一義的に決まることになり、この入射角γ1は、波長が長いほど大きいことから、図5に示すように、上方から下方に向かって波長の長い方から順に、各LEDチップ41乃至43が配置されることになる。 The LED chips 41 to 43 are incident so that the emitted light is incident on the same position of the diffraction grating 44 at different incident angles γ1, and the diffracted reflected light is emitted at the same outgoing angle γ2. The angle γ1 is selected. At that time, the positions of the LED chips 41 to 43 are uniquely determined by the incident angle γ1 given by the equation (9), and the incident angle γ1 is larger as the wavelength is longer. As shown in FIG. 4, the LED chips 41 to 43 are arranged in order from the longest wavelength from the top to the bottom.
このような構成の多色発光素子混色装置40によれば、各LEDチップ41,42,43に対して駆動電圧が印加されることにより、各LEDチップ41,42,43が発光して、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、回折格子44の同じ位置に対して互いに異なる入射角γ1で入射する。
According to the multi-color light emitting element
Thereby, each light is incident on the same position of the diffraction grating 44 at different incident angles γ1.
そして、各光は、回折格子44にて、その入射角γ1及び波長そして格子間隔D1に基づいて、式(9)で決まる同じ出射角γ2で、回折反射光として出射することになる。
従って、各LEDチップ41,42,43から出射した各色の光は、光学部材としての回折格子44により、波長に基づいて回折・反射されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
Then, each light is emitted as diffraction reflected light at the diffraction grating 44 at the same emission angle γ2 determined by the equation (9) based on the incident angle γ1, the wavelength, and the grating interval D1.
Therefore, the light of each color emitted from each
図6は、本発明による多色発光素子混色装置の第五の実施形態の構成を示している。
図6において、多色発光素子混色装置50は、三つのLEDチップ51,52,53と、これらのLEDチップ51乃至53に対して隣接して配置された回折格子54と、アパーチャ部材55と、から構成されている。
FIG. 6 shows the configuration of the fifth embodiment of the multicolor light emitting device color mixing apparatus according to the present invention.
In FIG. 6, the multicolor light emitting device color mixing device 50 includes three
各LEDチップ51,52,53は、公知の構成であって、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各LEDチップ51乃至53は、後述するように、上方から波長の長い順に配置されている。
上記回折格子54は、格子間隔D2の透過型回折格子であって、入光側の透明材料(屈折率n1)の表面に形成された例えばアルミニウム等の金属グレーティングまたは蒸着膜により構成されている。
Each
The diffraction grating 54 is a transmission type diffraction grating having a grating interval D2, and is made of a metal grating such as aluminum or a vapor deposition film formed on the surface of the transparent material (refractive index n1) on the light incident side.
ここで、回折格子54に対して、波長λの光が入射角θ1で入射したとき、大気の屈折率をn2とし、mを整数とすると、式(10)で与えられる出射角θ2の方向に回折透過光が出射されることになる。
(数式10)
従って、各LEDチップ51乃至53からの光の波長と、回折格子54に対する入射角θ1に基づいて、格子間隔D2を適宜に設定することによって、各波長の光に対する回折透過光の出射角θ2を同じになるようにすることができる。
尚、この場合も同様にして、二次以下の回折光は、アパーチャ部材55により遮断されることにより、出射角γ2の方向に出射しないようになっている。
Here, when light having a wavelength λ is incident on the diffraction grating 54 at an incident angle θ1, assuming that the refractive index of the atmosphere is n2 and m is an integer, the light is emitted in the direction of the emission angle θ2 given by equation (10). Diffracted and transmitted light is emitted.
(Formula 10)
Accordingly, by appropriately setting the grating interval D2 based on the wavelength of the light from each LED chip 51 to 53 and the incident angle θ1 with respect to the diffraction grating 54, the emission angle θ2 of the diffracted transmitted light with respect to the light of each wavelength is set. Can be the same.
In this case as well, second-order or lower-order diffracted light is blocked by the aperture member 55 so that it is not emitted in the direction of the emission angle γ2.
そして、各LEDチップ51乃至53は、それぞれ出射光が回折格子54の同じ位置に対して互いに異なる入射角θ1で入射して、それぞれ回折透過光が同じ出射角θ2で出射するように、その入射角θ1が選定されている。 The LED chips 51 to 53 are incident so that the emitted light is incident on the same position of the diffraction grating 54 at different incident angles θ1 and the diffracted transmitted light is emitted at the same outgoing angle θ2. The angle θ1 is selected.
このような構成の多色発光素子混色装置50によれば、各LEDチップ51,52,53に対して駆動電圧が印加されることにより、各LEDチップ51,52,53が発光して、それぞれ赤色光,緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、回折格子54の同じ位置に対して互いに異なる入射角θ1で入射する。
According to the multi-color light emitting element color mixing device 50 having such a configuration, when a driving voltage is applied to each
Thereby, each light enters the same position of the diffraction grating 54 at different incident angles θ1.
そして、各光は、回折格子54にて、その入射角θ1及び波長そして格子間隔D2に基づいて、式(10)で決まる同じ出射角θ2で、回折透過光として出射することになる。
従って、各LEDチップ51,52,53から出射した各色の光は、光学部材としての回折格子54により、波長に基づいて回折・透過することにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
Then, each light is emitted as diffraction transmission light at the diffraction grating 54 at the same emission angle θ2 determined by the equation (10) based on the incident angle θ1, the wavelength, and the grating interval D2.
Therefore, the light of each color emitted from each
上述した各実施形態による多色発光素子混色装置10乃至50においては、三つのLEDチップからの赤色光,緑色光及び青色光の三色の混合による混色光を生成する場合について説明したが、二色または四色以上の光の混合によって混色光を得るようにしてもよい。
例えば二色の混合による混色光の場合には、例えば所謂ドミナント波長約575nmのオレンジ光と、同じく470nmの青色光をそれぞれ出射する二個のLEDチップを使用したとき、各LEDチップの色度は、それぞれ図7の色度図において直線の両端A,Bで示す位置となる。
従って、各色の分光分布をそれぞれA(λ),B(λ)として、混色光の総和をこれらに比例するものとすると、混色光の色度は、色度座標をx=X/S,y=Y/Sとして、以下の式(11),(12)及び(13)により与えられる。
(数式11)
(数式12)
(数式13)
ここで、P(λ)=A(λ)+B(λ)であり、x(λ),y(λ)及びz(λ)は等色関数,kは比例定数,S=X+Y+Zである。
従って、直線AB上の色度を混色光によって実現することが可能である。
In the multi-color light emitting element
For example, in the case of mixed color light by mixing two colors, for example, when two LED chips that emit orange light having a so-called dominant wavelength of about 575 nm and blue light having a wavelength of 470 nm are used, the chromaticity of each LED chip is 7 are positions indicated by both ends A and B of the straight line in the chromaticity diagram of FIG.
Accordingly, assuming that the spectral distribution of each color is A (λ) and B (λ), respectively, and the total sum of the mixed-color light is proportional to these, the chromaticity of the mixed-color light is expressed as chromaticity coordinates x = X / S, y = Y / S is given by the following equations (11), (12) and (13).
(Formula 11)
(Formula 12)
(Formula 13)
Here, P (λ) = A (λ) + B (λ), x (λ), y (λ) and z (λ) are color matching functions, k is a proportional constant, and S = X + Y + Z.
Accordingly, it is possible to realize the chromaticity on the straight line AB by the mixed color light.
上述した実施形態においては、各LEDチップからの光を一つの出射軸に導くための光学部材として、三角プリズム15,複合プリズム25,ダイクロイックプリズム34や回折格子44,54を使用しているが、これに限らず、各LEDチップからの光を一つの出射軸に導くことができれば、任意の他の構成の光学部材、例えば偏光素子等を使用することも可能である。
また、上述した実施形態においては、発光素子としてLEDチップを使用した場合について説明したが、これに限らず、モールド型LED等の各種LEDや、レーザー素子を含む各種発光素子を光源として使用してもよいことは明らかである。
In the above-described embodiment, the
In the above-described embodiment, the case where an LED chip is used as a light emitting element has been described. However, the present invention is not limited thereto, and various LEDs such as a mold type LED and various light emitting elements including a laser element are used as a light source. It is clear that it is good.
このようにして、本発明によれば、従来の樹脂モールドLEDでは困難であった良好な混色性を得ることが可能となり、プリズム,回折格子等の光学部材を利用することによって、簡単で小型の構成により、各LEDチップからの光を良好に混色することが可能となる。
従って、本発明による多色発光素子混色装置により、例えば各種インジケータ,スキャナ用光源,卓上光源,各種スポットライト,舞台照明あるいは温度センサー用光源等の高い混色性が要求されるあらゆる光源として利用することができる。
In this way, according to the present invention, it is possible to obtain a good color mixing property that has been difficult with the conventional resin mold LED, and by using an optical member such as a prism or a diffraction grating, a simple and small size can be obtained. With the configuration, it is possible to mix light from each LED chip well.
Therefore, the multicolor light emitting device color mixing apparatus according to the present invention can be used as any light source that requires high color mixing, such as various indicators, light sources for scanners, table light sources, various spotlights, stage lighting, or light sources for temperature sensors. Can do.
10 多色発光素子混色装置
11 基板
12,13,14 LEDチップ
15 三角プリズム(光学部材)
15a 入射面
15b 出射面
20 多色発光素子混色装置
21 基板
22,23,24 LEDチップ
25 複合プリズム(光学部材)
25a,25b,25c 平行四辺形プリズム
26 三角プリズム
30 多色発光素子混色装置
31,32,33 LEDチップ
34 ダイクロイックプリズム(光学部材)
34a,34b 波長選択性薄膜
40 多色発光素子混色装置
41,42,43 LEDチップ
44 反射型回折格子(光学部材)
50 多色発光素子混色装置
51,52,53 LEDチップ
54 透過型回折格子(光学部材)
DESCRIPTION OF
15a entrance surface
25a, 25b,
34a, 34b Wavelength selective
50 Multicolor light emitting device
Claims (9)
各発光素子からの出射光を一つの出射軸に導く光学部材と、
を備えていることを特徴とする、多色発光素子混色装置。 A plurality of light emitting elements having different emission colors;
An optical member that guides outgoing light from each light emitting element to one outgoing axis;
A multicolor light-emitting element color mixing device comprising:
互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項1に記載の多色発光素子混色装置。 The optical member is a triangular prism,
2. The multicolor light emitting element color mixing device according to claim 1, wherein the light from each of the light emitting elements spaced apart from each other is guided to one output axis based on a difference in refraction angle depending on the wavelength of the output light. .
各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項1に記載の多色発光素子混色装置。 The optical member is a composite prism having a reflecting surface that totally reflects light from each light emitting element,
2. The multicolor light emitting element color mixing device according to claim 1, wherein light from each light emitting element is reflected by a corresponding reflecting surface and guided to one emission axis. 3.
各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項1に記載の多色発光素子混色装置。 The optical member is a dichroic prism,
The multicolor light emitting element color mixing device according to claim 1, wherein light from each light emitting element is guided to one output axis by transmitting or reflecting.
互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項1に記載の多色発光素子混色装置。 The optical member is a diffraction grating,
2. The multicolor light emitting element color mixing device according to claim 1, wherein light from each of the light emitting elements spaced apart from each other is guided to one output axis based on a difference in diffraction angle depending on a wavelength of the output light. .
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